基于单片机水温控制系统设计

湖北文理学院

毕业设计(论文)正文

题 目 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导教师 职称

基于单片机的水温控制系统设计 机械设计制造及其自动化

Xxxx Xxx Xxxxx Xxx

2011年5月18日

基于单片机的水温控制系统设计

摘要：随着国民经济和国内工业的发展，人们需要对各种家用电器和工业设备的温度控制，采用单片机来对它们进行控制不仅具有控制简单、方便和灵活性大优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。目前的水温控制系统多采用由模拟温度传感器，多路模拟开关，A/D转换器及单片机等组成的传输系统。水温控制在工业及日常生活中应用广泛，分类较多，不同水温控制系统的控制方法也不尽相同。

本设计采用单片机作为水温控制系统的控制核心，实现人工设定温度，自动控制温度，显示水的实时温度等功能。水温测试方式采用集成模拟温度传感器感知器皿中水的温度，并用运算放大器将传感器输出的微弱模拟电压信号进行放大。它以单片机stc89c51为核心，使用温度传感器AD590采集实时温度并通过数码管显示，提供各种运行指示灯来指示系统现在所处状态，该软件和系统硬件已经完成，在软件proteus中，系统进行了仿真，并且系统的设计进行了验证也是合理的。最后根据电路的设计，用面包板来焊接电路板及进行实际调试。试验表明，人工设定温度、温度自动控制、实时显示水温等功能都可以实现。 关键词：单片机；模数转换器；温度控制；数码管；温度传感器ad590

Water temperature control system design based on 51series

single-chip processor

Abstract ：As the national economy and the development of the domestic industry ，people need the temperature control on a variety of household appliances and industrial equipment，Using SCM to control them is not only simple control, convenience and flexibility advantages, but also can significantly improve the temperature was charged with technical indicators, which can greatly enhance the quality and quantity of the product. At present, most of the temperature control system used by the analog temperature sensor, multi-channel analog switches, A/D converter and single-chip, such as the transmission system. Water temperature control is widely used in industry and daily life, more classification, water temperature control system to control a different approach.

This design uses a microcontroller as the core of the control of water temperature control system, to achieve the artificial setting temperature, automatic temperature control, and display real-time water temperature and other functions. The water temperature testing to integrated analog temperature sensor sensing the containers in water temperature, and weak analog voltage signal of the sensor output op amp zoom. To SCM STC89C51 it as the core, the AD590 temperature sensor to collect real-time temperature and digital display, providing a variety of operating indicator to indicate the system now in which state, the software and system hardware has been completed, Software proteus simulation, and system design validation is a reasonable. At last, according to designed circuit, the hardware system was built by utilizing bread panel and the actual debugging was done. The test showed that the artificial set temperature, automatic temperature control, real-time water temperature and other functions can be achieved.

Key words: SCM; Analog to Digital Converter; Temperature control; Digital tube; Temperature Sensor ad590

目 录

1绪论 .............................................................. 1

1.1单片机的发展背景 ............................................. 1 1.2 单片机的发展趋势 ............................................ 2 2系统总体设计 ...................................................... 4

2.1 硬件总体设计 ................................................ 4

2.1.1硬件系统子模块 ......................................... 4 2.2 软件总体设计 ................................................ 4 3硬件系统设计 ...................................................... 6

3.1元器件选型 ................................................... 6

3.1.1 温度传感器 ............................................. 6 3.1.2 数码管 ................................................. 6 3.1.3 A/D转换器 ............................................. 7 3.2 硬件电路设计 ................................................ 8

3.2.1 单片机最小系统设计 ..................................... 8 3.2.2 温度采集电路设计 ...................................... 11 3.2.3 报警电路 .............................................. 12 3.2.4 数码管及指示灯的显示电路 .............................. 13 3.2.5 硬件原理图 ............................................ 14

4软件系统设计 ..................................................... 16

4.1主程序结构框图 .............................................. 16 4.2 程序设计 ................................................... 16 5仿真 ............................................................. 19

5.1 PROTUES软件的介绍 .......................................... 19 5.2 仿真的步骤 ................................................. 19 5.3 仿真的结果 ................................................. 20 6系统调试 ......................................................... 22

6.1 硬件电路调试 ............................................... 22 6.2 软件调试 ................................................... 22 6.3 测试电路 ................................................... 23 总结 ............................................................... 25 参考文献 ........................................................... 26 附录1 设计主程序 .................................................. 27 致谢 ............................................................... 37

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1绪论

1.1单片机的发展背景

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

1971年intel公司研制出世界上第一个4位的微处理器；Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国《经济学家》杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一。

1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器 ）其中4004（下图）包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm×4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。

1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。

1973年intel公司研制出8位的微处理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。

主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS（Million Instructions Per Second ）。

1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800，售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。

1976年intel公司研制出MCS-48系列8位的单片机，这也是单片机的问世。 Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。当时，Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。

20世纪80年代初，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量，I/O口功能，系统扩展方面都有了很大的提高。

以8位单片机的推出作为起点，单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段：

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为代表。MCS – 48的推出是在工控领域的控索，参与这一探索的公司还有Motorola 、Zilog等，都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。

（2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。Intel公司在MCS – 48 基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS –51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。

①完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。

②CPU外围功能单元的集中管理模式。 ③体现工控特性的位地址空间及位操作方式。

④指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。 （3）第三阶段（1982-1990）：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS – 96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。随着MCS – 51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路功能，强化了智能控制的特征。

（4）第四阶段（1990—）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。

1.2 单片机的发展趋势

纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：

1．低功耗CMOS化

MCS-51系列的80C51推出时的功耗达120mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。

2．微型单片化

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序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。

3．主流与多品种共存

现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以MCS-51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的WinBond系列单片机[2]。

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2系统总体设计

2.1 硬件总体设计

温度传感器ad590将采集到的温度信息变换为电流信号，经电阻转化为模拟电压信号后，经放大器op07电路将电压信号放大到单片机可以处理的范围内，经过adc0809的转换，送到单片机STC89C51内处理。当温度在所设定值范围时，绿灯亮，这时持续加热，当温度超过范围时，继电器常开开关吸合，红灯亮，停止加热，对应设计框图如下2-1所示。

图2-1 设计框图

2.1.1硬件系统子模块 (1) 单片机最小系统电路部分

(2) 数码管温度显示和运行指示灯电路部分 (3) 温度采集电路部分 (4) 报警部分 2.2 软件总体设计

良好的设计方案可以减少软件设计的工作量，提高软件的通用性，扩展性和可读性。

本系统的设计方案和步骤如下：

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(1) 根据需求按照系统的功能要求，逐级划分模块。

(2) 明确各模块之间的数据流传递关系，力求数据传递少，以增强各模块的独立性，便于软件编制和调试。

(3) 确定软件开发环境，选择设计语言，完成模块功能设计，并分别调试通过。 (4) 按照开发式软件设计结构，将各模块有机的结合起来，即成一个较完善的系统。

首先接通电源系统开始工作，系统开始工作后，通过按键设定温度值的上限值和下限值，确定按键将设定的温度值存储到指定的地址空间，温度传感器开始实时检测，调用显示子程序显示检测结果，调用比较当前显示温度值与开始设定的温度值比较，如果当前显示值低于设定值就通过继电器起动加热装置，直到达到设定值停止加热，之后进行保温，如果温度高于上限进行报警。

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3硬件系统设计

3.1元器件选型 3.1.1 温度传感器

如何根据具体的测量目的，测量对象以及测量环境合理地选用传感器，这是自动测量与控制领域从事研究和开发的人们必然要碰到，也首先要解决的问题。传感器一旦确定，与之相配套的测量方法和测试系统及设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。

合理选择传感器，就是要根据实际的需要与可能，做到有的放矢，物尽其用，达到实用、经济、安全、方便的效果。为此，必须对测量的目的，测量对象，使用条件等方面有较全面的了解，这是考虑问题的前提。

本次设计采用AD590温度传感器，其性能指标如下： ⑴流过器件的电流等于器件所处环境的热力学温度值 ⑵测量范围是-50°C到150°C ⑶电压范围为4V到30V

⑷精度高，非线性误差仅为±0.3°C

⑸AD590为直流型传感器温度每变化1°C其电流变化1uA，在35°C和95°C时 输出电流分别为308.2uA和368.2uA[1] 3.1.2 数码管

数码管可以分为共阳极和共阴极数码管两种，共阳极就是把所有led的阳极链接到共同接点com,而每个led的阴极分别为a,b,c,d,e,f,g,及dp（小数点）；共阴极则是把所有led的阴极接到共同接点上com，而每个led的阳极分别为a,b,c,d,e,f,g及dp(小数点)，如下图所示，可以通过控制各个led的亮灭来显示数字。而本次毕业设计采用共阳极数码管。

数码管各段分布如图3-1所示。

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图 3-1 数码管各段标注

共阴极与共阳极接线图如图3-2所示。

图3-2共阴极与共阳极数码管

3.1.3 A/D转换器

ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式a/d转换器，其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。Adc0809的引脚电路如图3-3所示。

图3-3 ADC0809引脚图

引脚功能：

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，下面说明各引脚功能。

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ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

START： A／D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

EOC： A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一＋5V。 GND：地。

因为ADC0809需要500KHZ的频率才可以驱动，也就是I/O引脚，可以采用外部分频电路，我这里采用的是STC89C51的P1.0口。

定时器2可以通过编程从P1.0口输出一个占空比为50%的时钟信号。当晶振频率为12MHZ时，可以输出满足ADC0809驱动的时钟。经示波器测量大约为420KHZ的频率，满足要求。

ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线。将一个1K的电位器和ADC0809的IN0口相连，调节电位器，当电位器为500欧姆时，看看电压是否为2.5V。经检测得到2.47V，满足要求。 3.2 硬件电路设计 3.2.1 单片机最小系统设计

51单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10~30uF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。51单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更

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率越大处理速度越快。51单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用15~33pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好。

图3-4最小系统图

引脚功能：

VCC：供电电压。 GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据

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时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口作为AT89C51的一些特殊功能口，管脚 备选功能

P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。注意加密方式1时， EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。

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Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放 大传感器的微弱信号等方面。

Op07芯片特点： 超低偏移： 150μV最大。 低输入偏置电流： 1.8nA 。低失调电压漂移： 0.5μV/℃ 。 超稳定，时间： 2μV/month最大高电源电压范围： ±3V至±22V

Op07管脚图如下

图3-5 Op07管脚图

OP07放大电路是整个温度采集系统的核心部分，开始选用一组1k和10k大小的电阻来确定放大倍数为10。一开始通过滑动变阻器调节使P电电压为2.73V（根据ad590工作原理，相当于就是把温度从开尔文转化为摄氏度），此时调节电位器，使Q点电压为3V（即默认室温为27摄氏度）。当将手放在AD590上时，温度变化灵敏，可以直接到32摄氏度，即完成温度采集功能具体接线图如图2-6所示。

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输出端

图3-6温度采集电路图

实验中输出电流是以绝对温度零度（-273°C）为基准。因此，图3-6中的A点的电压值为公式（1）所示。

VA I0 R (273 T) 10 （1）

此时，调节P点电压使其达到VP 2.73V。则输出电压为公式（2）所示。

V0 (1

R9RR11T)VA 9VP （2） R8R10 R11R810

3.2.3 报警电路

同时可以在系统里设定温度上限值，由于加热停止后，加热管还有余热当采集到的外界温度高于当前所设定温度上限值时，程序就会进入报警子程序，触发蜂鸣器进行报警。报警电路原理图如图所示。

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图3-7 报警电路接线图

3.2.4 数码管及指示灯的显示电路

（1）数码管显示说明

各个数码管的段码都是单片机的的数据口输出，即各个数码管输入的段码都是一样的，为了使其分别显示不同数字，可采用动态显示的方式，即先只让最低位显示0（含点），经过一段延时，再只让次低位显示1，如此类推。由于视觉暂留，只要我们的延时时间足够短，就能够使得数码的显示看起来非常的稳定清楚，过程如表2-8。

本论文中使用了3个数码管，其中前两位使用动态扫描显示实测温度，在设置加热温度的时候，两个数码管是闪烁的，以提示目前处在温度设置状态。第三位数码管

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（2）运行指示灯说明

本热水温度控制系统中共使用到3个LED指示灯和3个数码管。 右上角的红色LED是电源指示灯；

数码管右边的红色LED是加热指示灯，当刚开机货温度降到设定温度5℃ 以下时。该灯会亮，表示目前处于加热状态；当温度上升到设定温度是，该LED熄灭，同时数码管右边的绿色LED亮，表示目前处于保温状态，用户可以使用热水器；当温度再次下降到设定温度5℃以下时，绿色LED熄灭，红色加热的LED灯亮，不断循环。

3.2.5 硬件原理图

这次设计主要由单片机、A/D转换器 、数码管、 放大电路、 温度传感器AD590、 锁存器、 报警电路等组成，原理接线图如下图3-10所示：

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图 3-10 原理图

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4软件系统设计

4.1主程序结构框图

在程序设计过程中，主要采用模块划分来设计编程，而这些模块主要是:共阳极数码管显示模块，a/d转换模块，温度采集电路模块等,整体的系统流程为图4-1所示。

图4-1 整体设计流程图

4.2 程序设计

系统程序设计主要包括四部分：读出温度子程序，报警电路子程序，温度转换命

图4-2 ，图4-3，所示。

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4-2 读取温度ad590模块的流程图

图

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8tkm.html